열차저항의 이해 및 종류

열차가 출발 또는 주행할 때는 항상 진행방향과 반대방향으로 각종 저항이 작용한다. 열차의 주행을 방해하는 힘을 열차저항이라 한다. 열차 저항은 극히 복잡하고 많은 인자들이 관계하고 있으나, 중요인자를 열거하면 다음 5개 항목으로 구분된다.

 

① 차륜과 궤조 간 마찰에 의한 저항

② 차륜과 베어링 간 마찰에 의한 저항

③ 공기에 의한 저항

④ 구배 또는 곡선에 의한 저항

⑤ 속도를 증가시킬 때 생기는 저항 등

 

이것들의 저항력의 대소는 선로와 차량의 상태 및 기후 조건에 따라 크게 영향을 받는다.

 

① 선로상태 : 구배의 완급, 곡선의 대소, 레일의 크기, 노반의 강약, 침목배치수, 도상의 두께, 보수 상태 등

② 차량상태 : 차량의 구조, 보수상태, 윤활제의 기능, 적하상태, 제륜자 재질 등

③ 기후조건 : 기온, 풍속, 바람의 방향과 열차 진행방향 등

 

열차 운전속도의 변화는 견인력과 열차 저항의 관계로 정해진다.

열차 저항의 단위는 차량중량 ton당 kg 즉 kg/ton으로 나타내며 중량에 비례하여 증가한다.

 

 

1) 출발저항

평탄 직선 선로상에 오랜 시간 정지해 있던 열차가 움직일 때 차량의 차축과 축수, 치차 등에 유막이 파괴되어 금속이 직접 접촉하게 되어 마찰저항이 커져 큰 견인력이 필요하게 된다. 그러나 일단 차량이 움직이기 시작하면, 유막이 형성되어 저항은 급속히 감소한다. 이와 같이 열차가 평탄 직선 선로에서 출발할 때 발생되는 저항을 출발 저항이라고 한다. 출발저항은 열차속도 3km/h 전후에서 최소치를 가지며, 이후 속도의 상승에 따라 증가되는 저항을 주행저항으로 적용하며, 출발저항은 베어링의 종류, 차량의 정지시간, 기온, 열차의 종류 운전상태에 따라 다르다.

 

 

2) 주행저항

열차가 주행할 때 운행방향과 반대로 적용하는 모든 저항을 총칭하여 주행저항이라고 부르며, 주행저항의 종류는 다음과 같다.

 

가) 차축과 축수 간의 마찰저항

차축과 축수간의 마찰계수는 차축 중량이 증가하면 감소하며, 감마유의 온도가 높은 경우에 낮아진다. 또한 동절기에는 하절기에 비례하여 커지며, 출발 시에 마찰저항이 최대가 되고 주행속도 3-4km/h 전후 최소로 되고 속도 상승에 따라 증가한다.

 

나) 차륜과 레일 간의 마찰저항

차륜과 레일간의 마찰저항은 선로상태의 변화 등에 기인되나 축중에 비례한다.

 

다) 차량 동요에 의한 저항

운전속도가 높으면 차량의 전후, 좌우, 상하 등의 동요가 생기는데 이것 때문에 생기는 저항이다. 저항은 속도의 자승에 비례하는 것으로 알려져 있다..

차량 진동의 원인은 다음과 같은 요인에 기인된다.

① 레일 이음매의 상하, 좌우 방향 불일치 및 레일의 상하 방향 불일치

② 곡선 궤도에서 원심력의 작용

③ 풍압

④ 차륜 답면의 원추체형 등

 

라) 공기저항

열차가 주행할 때 전면과 측면은 공기와 마찰하고 후부는 진공이 생기면서 운행하게 되는데 이와 같은 저항을 공기 저항 이라 하며 공기저항은 다음 4가지로 구분된다.

① 열차 전면에 가해지는 공기와 마찰로 인한 전면저항

② 열차 주행 시 후부에 진공상태로 인한 끌리는 현상

③ 연결 차량 간에 공기 와류로 인한 측면저항

④ 열차 측면에 발생되는 공기와 마찰로 인한 측면저항

 

 

3) 터널저항

열차가 터널 내를 주행할 때 터널 내의 풍압 변동에 의하여 공기 저항이 크게 되며 이 증가하는 공기 저항을 터널 저항이라 하고 차량 단면의 형상 및 크기, 터널길이, 열차속도 등에 따라 달라진다.

 

 

4) 구배저항

열차가 경사진 선로를 운행할 때에는 주행저항 이외에 선로가 경사진 것으로 인한 견인력이 더 필요하게 되는데 이때의 저항을 구배저항이라 한다. 구배저항은 중력에 의해 생기므로 열차의 중량과 구배 경사에 비례하여 증감하며, 진행방향에 따라 상구배, 하구배라 한다. 두 역 사이에 1km의 거리에서 임의의 2점간 직선 구배 중 최급 상 또는 하구배를 역간 표준구배라 한다.

 

 

5) 곡선저항

열차가 곡선에 들어가면 곡선저항을 받으며 곡선 저항을 발생시키는 원인은 다음과 같다.

① 곡선에 따라서 주행함으로 인해 차륜의 회전마찰 저항

② 외측 궤조의 길이 차에 의하여 생기는 외측 차륜의 미끄럼 저항

③ 원심력에 의하여 차륜의 후렌지와 외측 궤도 간의 마찰 저항 등

곡선저항은 선로의 곡선 반경의 대소, 곡선의 Cant, Slack, Bogie의 고정축 거리, 후렌지와 레일간격의 대소 및 차량 속도 등에 따라 다르지만 모든 곡선을 곡선 저항에 포함할 수 없으므로 일반적으로 톤당 곡선 저항을 곡선 반경의 관계로 나타낸다.

 

 

6) 가속도저항

열차가 출발 후 일정한 속도에 도달하기 위해서는 출발저항, 곡선저항, 구배저항 등 열차저항만의 견인력으로는 등속도 밖에 유지되지 않기 때문에 가속도를 얻기 위해서는 가속력을 가하여야 한다.. 가속력은 열차를 가속하기 위하여 발휘해야 하는 여분의 견인력으로, 이것은 일정의 저항이 작용하기 때문인 것으로 보고 이것을 가속 저항이라고 한다.